上部景觀工程對既有盾構隧道的結構安全影響

張中立，喻楊健

(1.江蘇蘇通大橋有限責任公司,江蘇 常熟 226001; 2.中鐵第四勘察設計院集團有限公司,湖北 武漢 430063)

0 引言

隨著環境保護要求的提高,城市的景觀工程快速發展[1],由于地下工程上部地面未設置用地紅線的區域無明確開發建設的限制,因此,若既有的地下工程上部地面進行景觀開發工程施工,則地下工程的使用階段不可避免地會受到工程活動的影響,且存在既有地下空間的正常使用和結構安全面臨影響或嚴重危害的風險。所以在前期的研究及設計過程中,模擬并分析景觀工程的施工對已建隧道的影響,并給出了比較合理的設計及施工措施,是非常關鍵且必要的。本文以南京長江隧道[2]受到江心洲大江側濱江風光帶景觀工程[3-4]影響為例進行分析,可以為類似工程提供一定參考和借鑒。

南京長江隧道位于南京長江大橋與三橋之間, 連接浦口區—梅子洲(見圖1)。隧道總長約6 km,按六車道城市快速通道規模建設,設計車速80 km/h,穿越長江段采用的是盾構隧道,管片外徑14.5 m,從江北浦口區下地,穿過長江主航道到梅子洲,2010年通車[5]。南京長江隧道平面布置示意圖見圖2。

江心洲大江側濱江風光帶位于江心洲上南京長江隧道登陸點位置,如圖3所示,寬度110 m～160 m,現狀大部分區域為水塘和草地,設計方案對地形進行整治,建設內容包括西北岸地表填高;東南方位老江堤部分區段破除并新建環島西路,同時包含環島西路下方的管涵施工等,如圖4,圖5所示。

由于濱江風光帶位于隧道正上方,屬于強烈影響區,同時景觀工程中涉及填方、挖方等施工,對隧道上部地層造成的影響屬于隧道原設計考慮外的變化因素[6],可能會對隧道的安全運營產生不利影響[7]。由于項目所在地質不均勻、水文較為復雜[8],為確保隧道的運營安全,特針對景觀工程施工對隧道的影響進行研究。

1 建設概況

1.1 主要工程問題

風光帶景觀工程位于南京長江隧道里程K6+159—K6+409段上部(見圖6)。該區段內南京長江隧道西線和東線凈距約為14.5 m～16 m。其中,風光帶中的環島西路上跨南京長江隧道K6+300—K6+400段,道路與隧道的夾角約為80°,道路中心線處隧道埋深約20.7 m。

南京長江隧道在景觀工程范圍內埋深約為17.8 m～25.7 m。

1.2 工程地質條件

根據各土層的物理力學指標、原位測試結果,場地內各土層工程特性綜合評價如下:

2 隧道保護標準

由于國內針對道路隧道結構變形規范相對缺乏,本工程相關變形量參照《南京市長江橋梁隧道條例》[9]、CJJ/T 202—2013城市軌道交通結構安全保護技術規范[10],結合相關經驗,建議按以下標準進行:

1)隧道結構附加豎向位移(隆起):≤5 mm,變化速率不大于1 mm/d。2)隧道結構附加豎向位移(沉降):<10 mm,變化速率不大于1 mm/d。3)隧道結構累計豎向位移:≤20 mm。4)隧道附加收斂變形:≤1.5‰D(D取隧道外徑)。5)隧道累計收斂變形:≤3‰D(D取隧道外徑)。6)襯砌結構承載力滿足相關規范要求。

3 數值分析

3.1 計算模型

根據圣維南原理[11-12]和實際需要,建立計算模型和網格劃分如圖7,圖8所示。模型采用位移邊界作為邊界條件,除上表面為自由邊界外,各外表面均約束法線方向的位移。

3.2 計算假定

1)地層材料采用摩爾-庫侖準則計算;2)假定土層成層均質水平分布;3)盾構隧道管片結構采用板單元模擬;4)地層和材料的應力應變均在彈塑性范圍內變化;5)不考慮施工中對土體力學指標的影響以及地下水滲流影響。

3.3 計算工況

3.3.1 工況一

1)施加應力分析需要的邊界條件和初始條件,并計算達到初始應力平衡狀態;2)對現狀江堤道路進行挖方,開挖到后期環島西路標高;3)施工管涵;4)施工環島西路并施加道路荷載;5)風光帶填方施工。工況一施工工序圖見圖9。

3.3.2 工況二

1)施加應力分析需要的邊界條件和初始條件,并計算達到初始應力平衡狀態;2)風光帶填方施工;3)對現狀江堤道路進行挖方,開挖到后期環島西路標高;4)施工管涵;5)施工環島西路并施加道路荷載。開挖示意圖見圖10。

3.4 計算結果

3.4.1 工況一

江心洲大江側濱江風光帶西北岸綠化填高和老江堤改造新建環島西路施工過程中造成隧道變形結果如下:施工過程中Z向最大沉降為3.63 mm,發生于隧道拱頂;最大隆起為0.52 mm,發生于隧道底部;X向最大變形為0.28 mm;Y向最大變形為0.67 mm(見圖11)。計算結果表明,景觀工程施工對隧道拱頂沉降影響相對最大,對隧道X向與Y向變形無顯著影響。

3.4.2 工況二

江心洲大江側濱江風光帶西北岸綠化填高和老江堤改造新建環島西路施工過程中造成隧道變形結果如下:施工過程中Z向最大沉降為4.12 mm,發生于隧道拱頂;最大隆起為0.51 mm,發生于隧道底部;X向最大變形為0.36 mm;Y向最大變形為0.85 mm(見圖12)。計算結果表明,景觀工程施工對隧道拱頂沉降影響最大,對隧道X向與Y向變形無顯著影響。

綜合上述數值分析計算結果,將工況一與工況二隧道變形與受力情況對比如表1所示。結果表明,工況一條件下,隧道管片的變形與受力均小于工況二,故推薦工況一作為本項目施工工序。

表1 隧道變形與受力分析統計表

4 實測數據

施工中對隧道管片進行監測,并將監測數據與隧道管片在施工前的監測數據進行對比,見圖13。結果表明,項目施工導致影響區段內隧道管片沉降均不同程度增大。其中,東線隧道最大累計沉降值7.2 mm;西線隧道最大累計沉降值4.2 mm,沉降數值均在隧道安全使用要求范圍內。

5 結語

本文根據項目所處位置的地質條件、江心洲大江側濱江風光帶景觀工程和南京長江隧道的相對位置關系,對景觀工程采用兩種不同工序的施工方案對下部南京長江隧道的影響進行了對比分析。

分析結果表明,景觀工程施工采用對現狀江堤道路進行挖方并完成新路修筑后再進行風光帶填方施工的方案對下部隧道產生的影響較小。計算分析及實測驗證表明景觀工程的施工對下部隧道產生的最大影響表現于隧道管片拱頂下沉,但施工對隧道的影響處于可控范圍之內。本工程可以為在盾構隧道上部施工的景觀工程項目提供參考。